[논문]22.9kV 초전도 한류기 실계통 적용을 위한 절연협조 검토

김태훈; 강지원; 강연욱; 박진우; 이한상; 양병모

doi:10.9714/psac.2012.14.1.020

22.9kV 초전도 한류기 실계통 적용을 위한 절연협조 검토
The Study on Insulation Coordination on 22.9kV SFCL for Applying to Real Grid 원문보기

This paper proposes an insulation coordination and surge arrester design for superconducting power system with SFCL(Superconducting Fault Current Limiter) in Icheon substation. In the aspect of the economic analysis, since the superconducting devices are very expensive, the insulation coordination to prevent the dielectric breakdown caused by the lightning surge should be considered carefully. In this paper, the insulation coordination for real grid including SFCL and the design of the protection devices against lightning surge is verified using PSCAD/EM TDC.

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문제 정의

그러므로 전력계통을 설계할 때는 과전압을 방지하기 위해 절연협조가 반드시 필요하다. 따라서 본 논문에서는 이천변전소의 초전도시범사업으로 수행중인 22.9 kV 630 A 초전도 한류기를 대상으로 전력계통 절연설계에 필요한 과도 과전압 모의와 BIL (Basic Insulation Level)을 계산하였다. 본 논문에서는 기존 한류리액터의 특성과 상이한 특성을 가진 초전도 한류기를 대상으로 하였기 때문에 해석방법과 모델링에 대한 추가적인 기술적 분석이 필요할 것으로 생각되어 검토하였다.
9 kV 630 A 초전도 한류기를 대상으로 전력계통 절연설계에 필요한 과도 과전압 모의와 BIL (Basic Insulation Level)을 계산하였다. 본 논문에서는 기존 한류리액터의 특성과 상이한 특성을 가진 초전도 한류기를 대상으로 하였기 때문에 해석방법과 모델링에 대한 추가적인 기술적 분석이 필요할 것으로 생각되어 검토하였다. BIL계산은 IEC 60071-1규정에 의해 계산한 결과이며, 모의는 PSCAD/EMTDC 프로그램을 사용하였다[1,3].

제안 방법

11에 의하면 뇌서지 분석을 위한 피뢰기 모의에서 비선형저항 2개를(A0, A1)이용한 방법을 제시하고 있으며(그림 5) 각 파라메타 계산방법은 식(1)~(5).과 같이 피뢰기 컬럼의 수(n), 피뢰기 길이(d)일 때 저항, 인덕턴스, 커패시터를 계산하였다.
뇌서지 전압모의에 사용된 프로그램은 PSCAD/EMTDC이다. 뇌서지 모의는 지상에 노출된 부분이나, 반사파가 형성될 수 있는 접속점에 모의서지를 인가하여 검토하였다. 또한 배전선로 모델링을 위한 EMTDC의 PI Section 모델을 사용하여 모델링을 구성하였다.
뇌서지 모의는 지상에 노출된 부분이나, 반사파가 형성될 수 있는 접속점에 모의서지를 인가하여 검토하였다. 또한 배전선로 모델링을 위한 EMTDC의 PI Section 모델을 사용하여 모델링을 구성하였다. 사용데이터는 다음과 같다.
모의에 사용된 초전도 한류기의 최대 퀜치저항은 0.15 Ω으로, 임피던스가 ‘0’에 가까운 정상상태와 달리 한류기가 임피던스 값을 가지게 되면 뇌 전류가 진행함에 따라 한류기 양단에 전압차가 발생하기 때문에, 가장 큰 전압차를 나타내는 최대 퀜치저항 조건을 상정하여 모의하였다.
변압기의 커패시턴스는 그림 3에서 나타낸 것처럼 고-저압측로 분류된다. 모의에서 사용된 변압기 커패시턴스 값은 동종의 변압기에서 실측한 값을 사용하였으며, 본 논문에서는 실제 이천변전소 실측값을 적용해서 모델링 하였다.
모의조건은 정상상태와 최대 퀜치저항을 가지는 상태의 초전도 한류기를 상정하여 모의를 수행하였다. 모의에 사용된 초전도 한류기의 최대 퀜치저항은 0.
전력계통에서 과도 과전압은 상용주파 과전압 (Temporary Overvoltage), 개폐서지과전압(Slow-Front Overvoltage), 뇌서지 과전압 (Fast-Front Overvoltage)으로 분류할 수 있다. 본 논문에서 BIL계산은 상용주파, 개폐서지, 뇌서지에 대해 실시하였고, 계통모의는 뇌서지에 의한 과전압이 가장 크기 때문에 뇌서지 과전압(FFO)에 대해서만 실시하였다.
여기서 전류는 SW2 동작 이후 다음 전류 파형이 영점을 지나면서 SW1의 전류는 0A가 된다. 본 연구에서 설계한 SFCL은 반주기 후 한류가 시작되는 것으로 설계되었다[2].
이천변전소에 설치된 초전도한류기는 #1 MTR의 2차측과 CNCV 325 ㎟ 케이블을 이용하여 지상에서 접속되었고, 초전도한류기를 지나서 장평D/L부하로 연결된 구조이며, 배전선로 BIL계산은 상용주파, 개폐서지, 뇌서지에 대해 실시하였다. 서지 계측부분은 SFCL입· 출단, GIS, 장평D/L 순으로 모의하였고, 모의 조건으로 정상상태(Unquenched)와 최대한류저항상태(Quenched)의 조건으로 SFCL에 대하여 직격뢰에 의한 전압상승은 150 kV BIL에 대해 약 31 % 수준의 안정한 값으로 모의 되었다.
초전도 한류기가 설치된 이천변전소의 직격뢰 절연내력 모의를 위하여, 노출된 배전 GIS와 CNCV 케이블 접속점에 이천변전소에 설치된 피뢰기(Zinc Oxide Surge Arrester)의 용량은 8/20 us, 40 kA를 기준으로 직격뢰를 상정하여 접속점을 비롯한 초전도 한류기 인입단, 인출단, 배전 전주 부분의 과전압을 모의하였다.

대상 데이터

뇌서지에 의한 과전압 모의는 그림 2에서 나타낸 것처럼 이천 초전도시범사업관련 실계통 적용된 22.9 kV 630 A급 초전도 한류기를 대상으로 하였다. 부하공급용 2회선은 장평D/L 전주에서 초전도제어동으로 가는 선로로 초전도한류기의 보호협조 및 유지보수를 위하여 설치된 부하공급용 SIS(Solid Insulated Switchgear)를 이용하여 초전도한류기를 경유하고, 장평D/L 입상주로 귀환하여 부하 단에 전력을 공급한다.

데이터처리

본 논문에서는 기존 한류리액터의 특성과 상이한 특성을 가진 초전도 한류기를 대상으로 하였기 때문에 해석방법과 모델링에 대한 추가적인 기술적 분석이 필요할 것으로 생각되어 검토하였다. BIL계산은 IEC 60071-1규정에 의해 계산한 결과이며, 모의는 PSCAD/EMTDC 프로그램을 사용하였다[1,3].

성능/효과

서지 계측부분은 SFCL입· 출단, GIS, 장평D/L 순으로 모의하였고, 모의 조건으로 정상상태(Unquenched)와 최대한류저항상태(Quenched)의 조건으로 SFCL에 대하여 직격뢰에 의한 전압상승은 150 kV BIL에 대해 약 31 % 수준의 안정한 값으로 모의 되었다.
정상상태에서 초전도 한류기의 임피던스를 거의 ‘0’에 가까운 값으로 볼 수 있으므로 인입단과 인출단의 전압이 같게 모의되지만, 최대임피던스 상태(Quenched state)에서의 양단간 전압은 그림 9에서 나타난 것처럼 최대 0.17 kV로 모의되었다.
정상상태와 최대한류저항상태의 초전도 한류기에 대하여, 직격뢰에 의한 전압상승은 150 kV BIL에 대해 약 24∼32 % 수준의 안정한 값으로 모의되었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

BIL은 무엇인가?

BIL은 전력계통의 절연계급으로서 전압레벨과 전력 기기의 종류에 따라서 분류되어 있다. 한전에서 배전 계통에 운용하고 있는 절연협조를 위한 절연강도는 개폐장치, CT, PT 그리고 변압기가 150 kV로 설계되어 있다.

외부절연이 의미하는 것은 무엇인가?

기기의 내부절연(Internal insulation)은 변압기의 경우에는 권선절연을 의미하며, 케이블의 경우에는 케이블 절연체를 의미한다. 또한 외부절연(Ext ernal insulation)은 변압기 및 전력기기 부싱의 절연계급을 의미한다. 표 1의 BIL 계산결과, 뇌서지의 경우 외부절연으로 약 110 kV의 절연강도가 필요함을 알 수 있다.

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22.9kV 초전도 한류기 실계통 적용을 위한 절연협조 검토
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